Procesos químicos y reacciones en condiciones extremas o

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J. Elguero
«Procesos químicos y reacciones en condiciones extremas o no clásicas», en Política
Científica , CICYT, 1991, 28, 37-39.
Procesos químicos y reacciones en condiciones extremas o no clásicas
A través de los procesos químicos en condiciones extremas o no convencionales se obtienen nuevos
compuestos y mejores propiedades –eléctricas, magnéticas, ópticas – y procesos más selectivos –
ahorro de energía, disminución de contaminantes –. Hoy existen muchas formas de alcanzar las
condiciones no clásicas: desde la química a altas presiones para la producción de metales
sintéticos o la química a altas temperaturas, pasando por la sonoquímica o la química de la
materia condensada.
JOSÉ ELGUERO*
En nuestro entorno natural existen condiciones (presión, temperatura, composición de la
atmósfera) que sólo son una pequeña faceta de las condiciones de reacción posibles para una
transformación química. Por razones prácticas, los procesos industriales suelen operar bastante
cerca de dichas condiciones medioambientales. Las distintas condiciones dan lugar a caminos de
reacción totalmente diferentes, por lo que hay que esperar nuevos e interesantes resultados usando
condiciones o medios no convencionales. Así se podrán obtener compuestos nuevos y mejores con
propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas, mecánicas o químicas especiales, así como sustancias
de alto valor añadido, tales corno fármacos. En tecnología de las comunicaciones, en electrónica,
hasta en tratamiento de residuos, se pueden encontrar procesos más selectivos, más ahorradores de
energía y menos contaminantes.
Como se describe más adelante, existen muchas maneras de alcanzar tales "condiciones no
clásicas": para explotar ese potencial y encontrar los mejores métodos en cada caso es necesario que
los diferentes grupos se unan e intercambien sus experiencias, por lo que este campo está
perfectamente adaptado a los programas europeos que hacen hincapié en los aspectos de
complementariedad y colaboración multinacional.
Química a altas presiones
Es bien conocida la importancia que el empleo de altas presiones tiene, tanto con fines
prácticos corno para comprender las reactividad. La química moderna de altas presiones cubre
varias disciplinas (química orgánica e inorgánica, bioquímica, química macromolecular,
geoquímica) y solapa parcialmente con la física de altas presiones en lo que se refiere a transiciones
electrónicas.
Ejemplos, importantes de esta química son la producción de nuevos materiales, polímeros,
metales sintéticos ("sinmetales"), semiconductores y compuestos en estados de oxidación no
habituales: la simulación de reacciones geoquímicas en el laboratorio; las reacciones en disolventes
supercríticos y el desarrollo y adaptación de instrumentación para estudios de reactividad a altas
presiones (RMN, por ejemplo).
Química a altas temperaturas
La química del estado sólido a altas temperaturas está íntimamente relacionada con la
búsqueda de nuevos materiales con propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas o mecánicas no
convencionales. Caben citarse, entre otras, la síntesis de compuestos metaestables; la síntesis de
compuestos con estados de valencia no usuales; la modificación de la superficie de materiales
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cerámicos y de sus propiedades de conductividad y luminiscencia; la prevención de la formación de
maclas y el estudio de fenómenos interfaciales en sistemas fluidos a altas temperaturas.
Todas las reacciones de átomos o radicales a altas temperaturas o, en general, altas energías
son de gran interés: combustión, plasmas, estelares y láseres. Dado que las técnicas experimentales
para estudiar tales reacciones son muy sofisticadas y onerosas. no es posible que un laboratorio las
posea todas, por lo cual la cooperación es aquí imprescindible.
Sonoquímica
Las aplicaciones de los ultrasonidos en química se pueden agrupar en cinco tipos, que van
desde las reacciones en las burbujas de cavilación (en las microburbujas la compresión adiabática
genera temperaturas de millares de grados y presiones de hasta l00 bar durante períodos muy cortos
de tiempo) a las reacciones en la capa limítrofe caliente, donde se alcanzan temperaturas por encima
de la temperatura crítica del disolvente, pasando por la aceleración de las reacciones líquido-sólido
y líquido-líquido y su análisis teórico, las reacciones de radicales generados por ultrasonidos y la
degradación de macromoléculas o de estructuras biológicas debido a la implosión de las burbujas de
cavitación.
Dada la relación de algunos de estos procesos con los que se estudian en la química a altas
presiones y a altas temperaturas, debe favorecerse la colaboración entre científicos que trabajan en
los diferentes campos.
Microondas
La aplicación de los efectos de calefacción de las microondas es un método reciente para
acelerar la velocidad de las reacciones químicas, tanto en disolución como en estado sólido.
Muchos disolventes orgánicos polares interaccionan fuertemente con las microondas, proveyendo la
base para numerosas aplicaciones en química orgánica e inorgánica.
Citaremos como ejemplos la síntesis de nuevos compuestos organometálicos y la
intercalación de moléculas huésped en óxidos inorgánicos que actúan como hospedadores.
El acoplamiento de las microondas y de ciertos materiales sólidos es capaz de producir
extraordinarios efectos ele calentamiento por pérdida dieléctrica, lo cual puede ser utilizado para la
síntesis de óxidos y sulfuros metálicos mixtos y para la síntesis de óxidos cerámicos
superconductores a altas temperaturas
Los tiempos de reacción en dichas síntesis se pueden acortar por un factor de 102-103 sin que
se produzcan i radicales, como ocurre en la química de microondas en fase vapor.
Plasmoquímica
Dentro de la ''plasmoquímica" hay que distinguir la fría y la caliente, según se trate de plasma
de alta o baja presión, respectivamente. En el segundo caso, las temperaturas son del orden de
3.000-–5.000 K y sus aplicaciones cerámicas y para el tratamiento de residuos tóxicos pueden
considerarse como pertenecientes al apartado de la química de altas temperaturas.
Las reacciones en un plasma frío son procesos que transcurren en condiciones de no
equilibrio. Entre sus posibles aplicaciones destacan la síntesis de nuevos compuestos en fase
gaseosa, la eliminación de contaminantes en gases, el tratamiento de superficies y la purificación de
materiales mediante procesos de transporte.
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Aquí también es necesaria una mejor comprensión de los procesos fundamentales si se quiere
progresar en este campo.
Campos electromagnéticos
Los resultados de numerosos trabajos indican que los campos eléctricos y magnéticos
influyen en las reacciones químicas. La disponibilidad de campos extraordinariamente intensos, alta
coherencia y duración muy corta, producidos por láseres. abre nuevas puertas al análisis químico,
pero también a la generación de estados excitados bien definidos de moléculas con un
comportamiento químico específico. La aplicación de láseres en química es un campo joven,
habiendo aparecido gran número de resultados durante los últimos años. Entre las posibles
aplicaciones figuran las siguientes: generación de reacciones selectivas en fase gaseosa, liquida y en
superficies sólidas, incluyendo la formación de estructuras especiales en las superficies; dirección
de procesos electroquímicos hacia electrodos especiales mediante láseres pulsados; procesos
fotoquímicos en medio opaco; reparación y procesado de aerosoles y superficies y fotoquímica a
escala microscópica.
Especial atención merece el estudio de la influencia de los campos magnéticos sobre los
procesos químicos y bioquímicos.
Condiciones de microgravedad
En general, las reacciones químicas en medios homogéneos no están influidas por la
gravedad. Esto cambia en sistemas heterogéneos, en los cuales la transferencia de calor, de masa, y
la convección están íntimamente ligados al proceso químico. Aquí la influencia de la gravedad
puede jugar un papel importante, comen puede verse en fenómenos tan diferentes como un incendio
forestal o como en experimentos alrededor de estados críticos. El mayor interés en microgravedad
(o en súpergravedad) vendrá, pues, de la química física y de la ingeniería química. Algunas de las
líneas posibles son el crecimiento de cristales y metalurgia, el estudio detallado de flujos (efecto
Merangoni), la influencia de las transiciones de fase y de las reacciones químicas sobre transporte
de masa, movimiento y energía (no oscurecidos por convección natural).
Experimentos de este tipo están apoyados en Europa por los programas de micrograveded,
tanto nacionales, como a través de la Agencia Espacial Europea.
Entorno mitro-estructural
Dentro de los sistemas restringidos hay que señalar el entorno micro-estructural, que
representa otro medio no habitual donde pueden tener lugar procesos muy selectivos y eficaces. El
ejemplo más conocido es el de las zeolitas; sin embargo, su potencial para nuevas síntesis o para la
heterogeneización de catalizadores homogéneos no esta exhausto. Hay mucho interés en zeolitas
con poros muy anchos, en nuevos métodos de caracterización de centros activos y en modelos SAR
(relaciones estructura-actividad). Materiales inorgánicos microporosos, tales como arcillas
apilaradas, deben ser incluidos en el programa.
El desarrollo de compuestos orgánicos similares está en sus comienzos. Tienen el
inconveniente de su menor resistencia térmica y química, pero permiten programar el tamaño,
forma e incluso quiralidad de poros. También es posible funcionalizar sus paredes internas.
No hay que olvidar que existen micro-estructuras en fluidos, por ejemplo en surfactantes o en
copolimeros de bloque. Es posible fotopolimerizar, extraer el disolvente y dejar un material de alta
porosidad.
Química atmosférica
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De los procesos en el entorno es necesario destacar el campo de la química atmosférica, que
estudia la química y la fotoquímica de gases en el estado de trazas y la dinámica de la atmósfera
terrestre. Esto se aplica tanto a la composición natural de la atmósfera como a los cambios
producidos por las trazas de gases no naturales debidos a la actividad humana. Se ha detectado que
ciertos gases juegan un papel esencial en el control de los intercambios de radiaciones en la
atmósfera y, en consecuencia, en las condiciones climáticas en la Tierra.
Por lo tanto, estudios relacionados con lo anteriormente dicho son condición necesaria para la
comprensión de los cambios en los ecosistemas, para entender los fenómenos de contaminación
atmosférica y para predecir con realismo el clima terrestre.
Cosmoquímica
Gracias a sus espectros de absorción se descubrió, hace cincuenta años, que en el universo,
además de átomos y de iones elementales, había radicales relativamente complejos tales como CH,
CH· y CN. Actualmente han sido observados más de sesenta, entre ellos compuestos aromáticos.
Todos han sido observados en grandes nubles interestelares que se encuentran a unos pocos kelvin.
La competencia de la química interestelar, en lo que a sus aspectos químicos se refiere, está
en fase de desarrollo. Un mejor conocimiento cuantitativo de la formación y destrucción de las
especies químicas, moléculas y radicales, presentes en el espacio, podría arrojar luz sobre la
evolución.
Los procesos químicos en condiciones extremas
La presencia española en este campo es escasa. Esta es una razón más para que jóvenes
grupos elijan algunas de las fascinantes vías que se han mencionado, tales como los estudios de
RMN a muy altas presiones, muy altas temperaturas como disolvente (aquatermólisis), microondas
en química organometálica, influencia de los campos magnéticos en procesos bioquímicos,
experimentos en microgravedad (en colaboración con el INTA), zeolitas "orgánicas" etc. Hay que
incentivar, con los medios de que dispone la Dirección General de Investigación Científica y
Técnica, a los jóvenes investigadores para adentrarse en estos campos. Ellos obtendrán satisfacción
y el país conocimientos en una zona de la química de máxima relevancia industrial.
Afortunadamente no hay que partir de cero. A título de ejemplo citaremos una pequeña lista
de actividades ya existentes: en sonoquímica se trabaja en Madrid (Universidad Complutense y
Consejo Superior de Investigaciones Científicas) y en Alcalá de Henares; las microondas se usan en
síntesis orgánica en Alcalá de Henares; hay excelentes grupos trabajando en geoquímica y en
efectos biológicos de campos magnéticos en Barcelona (CSIC) y Madrid (Hospital Ramón y Cajal);
el estudio de zeolitas está a muy alto nivel tanto en Madrid (Consejo Superior de Investigaciones
Científicas) como en Valencia (Universidad Politécnica); finalmente, en cosmoquímica, hay que
recordar el trabajo pionero del profesor R. Carbó (Gerona).
Esta lista, muy incompleta, hecha de memoria, muestra ya nuestra potencialidad. España debe
apoyar este sub-proyecto para que sus investigadores coordinen esfuerzos con sus colegas europeos
y alcancen así, en corto tiempo, un nivel comparable a ellos. El sector industrial español debería
darse cuenta de que este tema es de enorme relevancia para su competitividad.
* Instituto de Química Médica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas.
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